鹽對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響

趙曉明，拓 曉，郭映雪

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

鹽對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響

趙曉明，拓 曉，郭映雪

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

通過實驗分析了鹽對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響。在不同鹽濃度條件下，利用光纖傳感系統(tǒng)測量單組分、雙組分和三組分混合染液中各組分濃度，分析各因素對染料濃度測定的影響。結(jié)果表明，鹽不影響單組分、雙組分混合染液染料濃度測量，但對于三組分混合染液，當(dāng)其中兩個染料的最大吸收波長距離較近時，鹽對濃度測定影響較大，其測試誤差增大，需要采用數(shù)學(xué)方法進行修正。

鹽 光纖傳感系統(tǒng) 染料 濃度

0 前言

活性染料染色過程中，為了使得染料盡快上染至纖維上，需要加入一定量的鹽促染[1-4]。當(dāng)纖維浸入染液后，纖維素分子中羥基會電離帶負電荷，活性染料溶于水后也會電離帶負電荷，因此染料與纖維之間因帶有同種電荷，產(chǎn)生了一定的電荷斥力，減緩染料上染速率[5-14]。當(dāng)加入鹽后，其改變了纖維表面的帶電情況，因為帶有正電荷的鈉離子中和了部分纖維上的負電荷，減小其與染料之間的電荷斥力，從而促進染料上染至纖維上[15-20]。本文通過實驗分析了鹽對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響。在不同鹽濃度條件下，利用光纖傳感系統(tǒng)測量單組分、雙組分和三組分混合染液中各組分濃度，分析各因素對染料濃度測定的影響。

1 實驗材料和儀器

表1 實驗材料和儀器

2 實驗方法

選取活性紅2G、活性紅BES和活性藍3G染料，分別配制0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L單組分染液，每種染液中含有0g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L的NaCl。用光纖傳感檢測系統(tǒng)測試每種染液中染料的濃度，分析鹽用量對不同濃度染液測量的影響。

選取活性紅2G和活性藍3G染料、活性紅BES和活性藍3G染料，設(shè)定三種染料濃度為0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L。分別從各自染料濃度中選取一種濃度，按照1:2、1:3、2:1、3:1四種比例，配制成活性紅2G和活性藍3G、活性紅BES和活性藍3G混合染液。每種染液中含有0g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L的NaCl。用光纖傳感檢測系統(tǒng)測試每種染液中染料的濃度，分析鹽用量對不同濃度染液測量的影響。

選取活性紅2G、活性紅BES和活性藍3G染料，設(shè)定三種染料濃度為0.0100g/L、0.0200g/L、0.0300g/L。分別從各自染料濃度中選取一種濃度，按照1:2:3、2:3:1、3:1:2三種濃度比例，配制成活性紅2G、活性紅BES和活性藍3G混合染液。每種染液中含有0g/L、5g/L、10g/L、15g/L、20g/L、25g/L、30g/L、35g/L的NaCl。用光纖傳感檢測系統(tǒng)測試每種染液中染料的濃度，分析鹽用量對不同濃度染液測量的影響。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 鹽對單組分染液的影響

圖1 不同NaCl濃度下活性紅2G染料實測濃度

由圖1可知，利用光線傳感系統(tǒng)檢測單組分染料溶液時，隨著增加NaCl濃度，不同染料濃度溶液染料實測濃度保持不變。在不同NaCl濃度下，當(dāng)活性紅2G實配濃度為0.0101g/L時，溶液中活性紅2G實測濃度均為0.0100g/L；當(dāng)活性紅2G實配濃度為0.0202g/L時，溶液中活性紅2G實測濃度均為0.0210g/L；當(dāng)活性紅2G實配濃度為0.0302g/L時，溶液中活性紅2G實測濃度均為0.0310g/L，說明NaCl不干擾染料濃度的測定。

由表2可知，當(dāng)活性紅2G實配濃度分別為0.0101g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為0.99%；當(dāng)活性紅2G實配濃度為0.0202g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為3.96%；當(dāng)活性紅2G實配濃度為0.0302g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為2.65%。在不同的染料實配濃度溶液下，染料實測濃度與實配濃度的相對誤差均小于4%，表明染料濃度與吸光度的線性關(guān)系較準確，NaCl不影響其檢測染料濃度。這主要是因為NaCl為中性鹽，溶于染液后不改變?nèi)疽核釅A性質(zhì)，不會導(dǎo)致活性紅2G活性基團水解，且Na+和Cl-不會與活性紅2G染料母體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其不與染料發(fā)生相互作用，所以NaCl不影響測定活性紅2G濃度。

表2 不同NaCl濃度下活性紅2G染料實測濃度與實配濃度

圖2 不同NaCl濃度下活性紅BES染料實測濃度

由圖2可知，利用光纖傳感系統(tǒng)檢測單組分染料溶液時，隨著增加NaCl濃度，不同溶液染料實測濃度依舊保持不變。在不同NaCl濃度下，當(dāng)活性紅BES實配濃度為0.0101g/L時，溶液中活性紅BES實測濃度均為0.01g/L；當(dāng)活性紅BES實配濃度為0.0202g/L時，溶液中活性紅BES實測濃度均為0.019g/L；當(dāng)活性紅BES實配濃度為0.0303g/L時，溶液中活性紅BES實測濃度均為0.029g/L，表明NaCl不影響測定染料濃度。

表3 不同NaCl濃度下活性紅BES染料實測濃度與實配濃度

由表3可知，當(dāng)活性紅BES實配濃度為0.0101g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為0.99%；當(dāng)活性紅BES實配濃度為0.0202g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為5.94%；當(dāng)活性紅BES實配濃度為0.0303g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為4.29%。在不同的染料實配濃度溶液下，染料實測濃度與實配濃度的相對誤差均小于6%，表明染料濃度與吸光度的線性關(guān)系較準確，NaCl不影響其線性關(guān)系。這主要是因為NaCl為中性鹽，溶于染液后不會改變?nèi)疽核釅A性質(zhì)，不會導(dǎo)致活性紅BES活性基團水解，且Na+和Cl-不與活性紅BES染料母體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其不與染料發(fā)生相互作用，所以NaCl不影響測定活性紅BES濃度。

圖3 不同NaCl濃度下活性藍3G染料實測濃度

由圖3可知，利用光纖傳感系統(tǒng)檢測單組分染料溶液時，隨著NaCl濃度的增加，不同染料濃度溶液實測染料濃度依舊保持不變。在不同NaCl濃度下，當(dāng)活性藍3G實配濃度為0.0101g/L時，實測溶液中活性藍3G的濃度均為0.01g/L；當(dāng)活性藍3G實配濃度為0.0202g/L時，實測溶液中活性藍3G的濃度均為0.019g/L；當(dāng)活性藍3G實配濃度為0.0303g/L時，實測溶液中活性藍3G的濃度均為0.032g/L，說明NaCl不影響測定染料濃度。

由表4可知，當(dāng)活性藍3G實配濃度為0.0101g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為0.99%；當(dāng)活性藍3G實配濃度為0.0202g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為5.94%；當(dāng)活性藍3G實配濃度為0.0303g/L時，染料實測濃度與實配濃度相對誤差為5.61%。在不同的染料實配濃度溶液下，染料實測濃度與實配濃度的相對誤差均小于6%，表明染料濃度與吸光度的線性關(guān)系較準確，NaCl不影響其線性關(guān)系。這主要是因為NaCl為中性鹽，溶于染液后不會改變?nèi)疽核釅A性質(zhì)，不會導(dǎo)致活性藍3G活性基團水解。且Na+和Cl-不會與活性藍3G染料母體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會與染料發(fā)生相互作用，所以NaCl不影響測定活性藍3G濃度。

表4 不同NaCl濃度下活性藍3G染料實測濃度與實配濃度

3.2 鹽對雙組分染液的影響

圖4 不同NaCl濃度下1:2濃度比例染液中染料實測濃度

圖5 不同NaCl濃度下1:3濃度比例染液中染料實測濃度

圖6 不同NaCl濃度下2:1濃度比例染液中染料實測濃度

圖7 不同NaCl濃度下3:1濃度比例染液中染料實測濃度

由圖4、圖5、圖6、圖7可知，不同染料濃度比例的混合染液中，活性紅2G和活性藍3G在六種NaCl濃度下測得的染料濃度保持一致，表明中性鹽NaCl不影響活性紅2G和活性藍3G雙組分混合染液各組分濃度測定。這主要是因為NaCl為中性鹽，溶于染液后不會改變?nèi)疽核釅A性質(zhì)，不會導(dǎo)致活性染料的活性基團水解，其Na+和Cl-不與活性染料母體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且活性紅2G與活性藍3G峰間無相互干擾，所以NaCl不影響測定活性染料濃度。

表5 活性紅2G和活性藍3G混合染液染料實測濃度

由表5可知，不同鹽濃度下，不同染料比例的活性紅2G實測濃度與實配濃度的相對誤差基本上在5%以內(nèi)，并且其實配濃度與實測濃度的相對誤差均小于活性藍3G。當(dāng)活性藍3G濃度比例較大時，其實配濃度與實測濃度相對誤差在6%以內(nèi)；當(dāng)活性藍3G濃度比例較小時，其實配濃度與實測濃度相對誤差達到10.89%。表明不同鹽濃度下，活性紅2G染料濃度與吸光度的線性關(guān)系好于活性藍3G。

圖8 不同NaCl濃度下1:2濃度比例染液中染料實測濃度

圖9 不同NaCl濃度下1:3濃度比例染液中染料實測濃度

圖10 不同NaCl濃度下2:1濃度比例染液中染料實測濃度

圖11 不同NaCl濃度下3:1濃度比例染液中染料實測濃度

由圖8、圖9、圖10、圖11可知，不同染料濃度比例的混合染液中，活性紅BES和活性藍3G在六種NaCl濃度下測得的染料濃度保持一致，表明中性鹽NaCl不影響活性紅BES和活性藍3G雙組分混合染液各組分濃度測定。這主要是因為NaCl為中性鹽，溶于染液后不會改變?nèi)疽核釅A性質(zhì)，不會導(dǎo)致活性染料的活性基團水解，其Na+和Cl-不與活性染料母體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且活性紅BES與活性藍3G峰間無相互干擾，所以NaCl不影響測定活性染料濃度。

表6 活性紅BES和藍3G混合染液實測濃度

由表6可知，不同鹽濃度下，不同染料比例其實測濃度與實配濃度的相對誤差基本上在5%以內(nèi)，當(dāng)活性較小時，其實配濃度與實測濃度相對誤差均較小。表明活性紅BES和活性藍3G雙組分混合染液中，染料濃度與吸光度的線性關(guān)系不受NaCl影響。

3.3 鹽對三組分染液的影響

圖12 不同NaCl濃度下1:2:3濃度比例染液中染料實測濃度

圖13 不同NaCl濃度下2:3:1濃度比例染液中染料實測濃度

由圖12、圖13、如14可知，隨著NaCl濃度的增加，三種混合溶液中活性藍3G染料實測濃度均保持一致，表明NaCl對活性藍3G沒有影響。但是NaCl對于活性紅BES和活性紅2G存在一定影響，隨著NaCl濃度的不斷增加，三種比例下的活性紅BES染料實測濃度不斷增加，活性紅2G染料實測濃度不斷減少，這是可能因為首先活性紅BES和活性紅2G的最大吸收峰比較接近，兩個吸收峰互相重疊，因此測量過程中存在了一定干擾。其次當(dāng)溶液中加入NaCl后，溶液極性增強，混合染液在紅色染料最大吸收波長處的吸收峰發(fā)生了紅移，隨著NaCl濃度的不斷提高，溶液極性越強，紅移越多，波長510nm、542nm處的吸光度值不斷減少，波長562nm處的吸光度值不斷增加，因此活性紅BES染料濃度與吸光度線性關(guān)系中染料實測濃度不斷增加，活性紅2G染料濃度與吸光度線性關(guān)系中染料實測濃度不斷減少。這可能是由于活性紅BES和活性紅2G染料母體中存在不含金屬的單偶氮結(jié)構(gòu)，所以染料母體結(jié)構(gòu)含有-N=N-雙鍵，其中N電負性強并有一個未成對的孤對電子，則兩種活性染料母體結(jié)構(gòu)中易形成分子間氫鍵，因此隨著溶液極性不斷增強，使得-N=N-雙鍵的電子處于激發(fā)態(tài)的能量越來越低，電子越易被激發(fā)，從而發(fā)生了電子π-π*躍遷，產(chǎn)生紅移，影響染料濃度的測定。

由于鹽不影響單組分、雙組分混合染液各組分染料濃度的測定，三組分混合染液可見光吸收光譜圖中并未發(fā)現(xiàn)聚集體的吸收峰，且電子躍遷并未改變?nèi)玖夏阁w結(jié)構(gòu)，因此可以判定隨著NaCl濃度的增加，混合染液中各組分染料濃度并沒有發(fā)生改變，從而得到染料濃度修正方程：

活性紅BES染料濃度修正方程：

(1)

活性紅2G染料濃度修正方程：

(2)

式(1)-(2)中，ΔC紅BES表示為活性紅BES實配濃度與實測濃度之差，ΔC紅2G表示為活性紅2G實配濃度與實測濃度之差，CNaCl表示溶液中NaCl濃度。

根據(jù)活性染料的修正方程，修正其實測濃度，并與實配濃度進行比較，結(jié)果如表7。

表7 活性紅BES和活性紅2G染料濃度修正結(jié)果

由表7可知，活性染料實測濃度經(jīng)過修正方程修正后，其實測濃度與實配濃度的相對誤差一部分在5%以內(nèi)，還有一部分超過5%，表明修正方程修正活性紅BES和活性紅2G實測濃度效果一般。

4 結(jié)論

鹽不影響單組分、雙組分混合染液染料濃度測量，但對于三組分混合染液，當(dāng)其中兩個染料的最大吸收波長距離較近時，鹽對濃度測定影響較大，其測試誤差增大，需要采用數(shù)學(xué)方法進行修正。

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2016-12-08

國家自然科學(xué)基金項目(51206122)

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：鹽對光纖傳感系統(tǒng)測量染料濃度的影響。

TS193

A

1008-5580(2017)01-0045-08